JP4830472B2

JP4830472B2 - 開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造、補強方法、梁構造

Info

Publication number: JP4830472B2
Application number: JP2005350430A
Authority: JP
Inventors: 健次米澤; 和明津田; 訓祥杉本
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-12-05
Also published as: JP2007051533A

Description

本発明は、開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造及び補強方法に関する。

鉄筋コンクリート造の建物を構築する際に、設備配管等を設置するため、鉄筋コンクリート梁を貫通するように開口を設けることがある。しかし、鉄筋コンクリート梁に開口を設けると、開口周辺のコンクリートに局所的な応力が作用し、鉄筋コンクリート梁の強度が低下してしまうため、鉄筋コンクリート梁に開口を設ける際には、開口の径は一般には梁せいの１／３以下と制限されている。このため、梁部材に大開口を設ける必要がある、設備機器を集中管理するオフィスビルなどには、鉄筋コンクリート構造を用いることは難しかった。

そこで、鉄筋コンクリート梁の強度を確保しつつ、開口を設ける方法として、例えば特許文献１には、鉄筋コンクリート梁を貫通するように鋼管を設け、この鋼管の両端付近にリング状の鉄板を固着し、このリング状の鉄板にせん断補強筋を固着した鉄筋コンクリート梁の開口補強構造が記載されている。
特開平６―１９３１９６号公報

しかしながら、この開口補強構造を用いて大きな径を有する開口を設けようとすると、施工の際には、リング状の鉄板が障害となるため、梁主筋の配筋作業に手間がかかってしまう。また、リング状の鉄板を避けて配筋の設計をしなければならず、例えば梁主筋を２段配筋できないなど、設計の自由度が損なわれる。また、リング状の鉄板を設けるので、鋼材の使用量が増え、経済性が損なわれる。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は大きな開口を有する鉄筋コンクリート梁であっても、その開口部の補強を良好な作業性でかつ低コストで行うことが可能な補強構造及び補強方法を提供することである。

本発明の鉄筋コンクリート梁の開口補強構造は、前記開口の内側に嵌挿された鋼管と、
前記鉄筋コンクリート梁の梁主筋を囲むように配されると共に、前記鋼管の外周面に接合されたせん断補強筋とを備えることを特徴とする。また、前記開口の径が鉄筋コンクリート梁の梁せいの１／３以上、かつ、梁せいより、前記鉄筋コンクリート梁の上下のかぶり厚と、せん断補強筋の径と、主筋の径との計を減じた値以下であってもよい。また、前記せん断補強筋は長方形に成形され、その一辺を前記鋼管に溶接接合されてもよい。

また、本発明は、開口が設けられた鉄筋コンクリート梁を補強する方法であって、前記開口の内側に鋼管を嵌挿し、せん断補強筋を、前記鉄筋コンクリート梁の梁主筋を囲むように配すると共に、前記鋼管の外周面に接合することを特徴とする開口補強方法も含むものとする。さらに、本発明は、この補強方法により補強された鉄筋コンクリート梁を含む梁構造を含むものとする。

以上の鉄筋コンクリート梁の開口補強構造によれば、鉄筋コンクリート梁に径が鉄筋コンクリート梁の梁せいの１／３以上の大開口を設けても、開口の無い鉄筋コンクリート梁と同等の強度を持たせることができる。さらに、従来の開口補強構造に比べて、コンパクトであるため、鉄筋の配筋が密にならず、また、鋼材の使用量を削減できる。

本発明の開口補強構造によれば、鉄筋コンクリート梁に開口を設ける際に、設計の自由度を向上し、配筋作業の際の手間を削減できる。また、鋼材の使用量を減らすことができるため、コストを削減できる。さらに、鉄筋コンクリート梁に強度を損なわずに、径が梁せいの１／３以上の大開口を設けることができるため、設備を集中管理するオフィスビルなどを鉄筋コンクリート造で経済的に施工できる。

以下、本発明の開口補強構造の一実施形態について図面に基づき説明する。
図１（Ａ）は、本実施形態の補強構造１０が適用された、鉄筋コンクリート梁１５の長手方向の鉛直断面図であり、同図（Ｂ）は、（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面の鉛直断面図である。また、図２は、補強構造１０を示す斜視図である。鉄筋コンクリート梁１５はその幅方向を貫通する開口１２を有しており、この開口１２を利用して設備配管等が行われる。
図１に示すように、鉄筋コンクリート梁１５は、梁主筋１４と、梁主筋１４を囲むように配設されたせん断補強筋１３とを備えている。また、開口１２には鋼管１１が嵌挿されている。せん断補強筋１３の開口１２に対応する部分は、開口１２の上下で長方形の枠状に形成され、上側のせん断補強筋１３の下辺及び下側のせん断補強筋１３の上辺は、夫々、鋼管１１の外周面に溶接されることで、図２に示すような補強構造１０が構成されている。

一般に、鉄筋コンクリート梁に開口を設けると、内部荷重の流れが変化し、開口の周辺の内部応力が局所的に高くなる。このため、開口の周辺より破壊を生じてしまい、鉄筋コンクリート梁の強度が低下してしまう。かかる理由により、鉄筋コンクリート梁には大開口を設けることができず、鉄筋コンクリート梁に開口を設ける場合には、開口の径が梁せいの１／３以下となるように制限されていた。

これに対して、本実施形態の開口補強構造１０によれば、開口１２の内側に鋼管１１が嵌挿されているため、無開口の場合に鉄筋コンクリート梁の開口１２に相当する部分のコンクリート部材が負担する圧縮荷重を鋼管１１が負担する。これにより、開口１２を設けることによる応力分布の変化を抑えることができるため、開口１２の周辺のコンクリートに局所的に大きな圧縮応力が作用することを抑止できる。また、せん断補強筋１３は鋼管１１に堅く溶接されているため、上下のせん断補強筋１３に作用する応力がお互いに伝達され、上下のせん断補強筋１３が一体となり、せん断力に抵抗する。さらに、開口１２の周辺のコンクリート部材に亀裂が入っても、せん断補強筋１３によりコンクリート部材が欠落することを防止する。これにより、開口１２を設けることによる鉄筋コンクリート梁１５の強度の低下を抑えることができ、鉄筋コンクリート梁１５に、鉄筋コンクリート梁１５の梁せいの１／３以上、かつ、梁せいより、鉄筋コンクリート梁１５の上下のかぶり厚と、せん断補強筋１３の径と、梁主筋１４の径との合計を減じた値以下の径の開口１２を設けることが可能になる。

ここで、鉄筋コンクリート梁１５に開口補強構造１０を設けることで、開口１２を設けることによる鉄筋コンクリート梁１５の強度の低下を抑止できることを、有限要素法を用いた数値解析により確認したので、以下説明する。
本検討では、試験体として一般的な鉄筋コンクリート梁の１／２の縮小モデルを用いた。なお、実物大の試験体を用いて解析を行った場合に比べて、せん断強度等は１／４倍になる。試験体は、断面形状：３００×４２５ｍｍ（実物大では６００×８５０ｍｍ）、内法スパン：１７００ｍｍ（実物大では３４００ｍｍ）、開口径：２３６ｍｍ（実物大では４７２ｍｍ）（梁せいの１／１．８）、鋼管の厚さ：１６ｍｍ（実物大では３２ｍｍ）、鋼管の降伏応力：３３０ＭＰａ（鋼種ＳＭ４９０に相当）、梁主筋：３−Ｄ２５、梁主筋降伏応力：５４０ＭＰａ（鋼種ＳＤ４９０に相当）、せん断補強筋：Ｄ６、せん断補強筋降伏応力：３２５ＭＰａ（鋼種ＳＤ２９５に相当）、コンクリート強度：４２Ｎ／ｍｍ^２とした。

本検討では、開口及び開口補強構造を設けていない試験体（試験体ＮＯ．１）、試験体の中央に開口及び開口補強構造を設けた試験体（試験体ＮＯ．２）、試験体の中央に開口を設け、開口補強構造を設けていない試験体（試験体ＮＯ．３）を用い、各試験体に正負交互に変化するせん断荷重を作用させて、荷重−変位曲線及び載荷後の破壊状況について調べた。

図３〜図５は、各試験体の載荷後の破損状況を示す図であり、夫々、試験体ＮＯ．１〜ＮＯ．３を示す。図３と図５を比較するとわかるように、試験体ＮＯ．１は、試験体全体にひび割れが分布しているが試験体ＮＯ．３は、開口１２の周囲にひび割れが分布している。これは、無開口である試験体ＮＯ．１には、局所的な応力の集中が生じないが、開口１２を有する試験体ＮＯ．３では、コンクリート部材の内部応力の流れが変化し、開口１２の周囲の部分に作用する応力が増大しているためである。

しかし、図４に示すように、試験体ＮＯ．２は、開口の周辺にひび割れが集中せず、試験体全体にひび割れが分布している。このことから、開口補強構造を設けることにより応力の流れの変化が抑止され、開口の周囲の応力集中を抑えられることが確認できる。

また、図６〜図８は、各試験体の荷重―変形関係を示すグラフであり、図６〜図８は、夫々、試験体ＮＯ．１〜ＮＯ．３を示す。図６と図８を比較すると、試験体ＮＯ．１の最大せん断力は２９０ｋＮ程度であるが、試験体ＮＯ．３の最大せん断力は１７０ｋＮ程度と、無開口の場合の靭性設計指針に基づき算出したせん断耐力に比べて非常に小さい。このことから、鉄筋コンクリート梁に開口を設けると、開口の周辺より破壊が生じてしまうため、鉄筋コンクリート梁の強度が低下することがわかる。

これに対し、図７に示すように、試験体ＮＯ．２の最大せん断耐力は、試験体ＮＯ．１の最大せん断耐力と略等しく、また、無開口の場合（試験体ＮＯ．１）の靭性設計指針に基づき算出したせん断耐力を超えている。このことから、開口補強構造により開口１２の周囲への応力の集中を抑え、鉄筋コンクリート梁の強度の低下を抑止し、無開口の鉄筋コンクリート梁と同等の強度を確保できることがわかる。
以上説明したように、本検討により、開口１２を設ける際に開口補強構造を設けることで、開口が設けられていない鉄筋コンクリート梁と同程度の強度を持つことが確認された。

さらに、開口１２を有する鉄筋コンクリート梁１５に開口補強構造１０を設けることで、鉄筋コンクリート梁１５の強度の低下を抑止できることを１／２の縮小モデルによる実験により確認したので、以下詳細に説明する。

図９は、本実験で用いた後述する試験体２０の一例（試験体Ａ）を示す断面図である。
上記説明した開口補強構造を備える鉄筋コンクリート梁を模した試験体Ａと、開口を設けていない鉄筋コンクリート梁を模した試験体Ｂにせん断荷重を加え、最大耐力及び変形性能を比較した。なお、図９に示すように、試験体の両端には、アクチュエータによる加力を行うための加力スタブが一体に成形されている。
試験体２０には、一般的な鉄筋コンクリート梁の１／２の縮小モデルを用いた。試験体２０の諸条件は、断面形状：３００×４２５ｍｍ、内法スパン：１７００ｍｍ、開口１２の径：２２０ｍｍ（梁せいの約１／２）、鋼管１１の厚さ：１６ｍｍ（ＳＭ４９０）、鋼管１１の降伏強度：３６３Ｎ／ｍｍ^２、梁主筋１４：３−Ｄ２５（ＳＤ４９０）、せん断補強筋１３（無開口部）３−Ｄ６、１５０ｍｍ間隔（ＳＤ２９０）、コンクリート強度：４８Ｎ／ｍｍ^２である。なお、開口周辺のせん断補強筋１３は、せん断補強筋比が無開口部と同等（せん断補強筋比０．２％）になるように配筋している。また、鉄筋の降伏強度は、せん断補強筋１３に用いたＤ６（ＳＤ２９０）は２９５Ｎ／ｍｍ^２、梁主筋１４に用いたＤ２５（ＳＤ４９０）は５１９Ｎ／ｍｍ^２である。

図１０は、本実験で用いた加力システムを示す図である。本実験では、大野式加力法を用い、同図に示すように、アクチュエータを用いて各試験体２０の両端に形成された加力スタブに正負交互に変形角が１／４００、１／２００、１／１００、１／５０、１／２５［ｒａｄ］に到達するようにせん断荷重を作用させて、荷重―変形関係を調べた。また、鋼管１１に溶接接続されたせん断補強筋１３が有効に作用することを確認するため、図１１に示すように、試験体Ａを作成する際に、鋼管１１の上下に溶接接合されたせん断補強筋１３の４箇所（図中、Ｙ−１〜Ｙ−４）に歪ゲージを貼付し、加力中のせん断補強筋１３のひずみを測定した。

図１２は、試験体Ａ及び試験体Ｂに作用したせん断荷重と変形角の関係を示すグラフである。また、図１３（Ａ）、（Ｂ）は、夫々、試験体Ａ及び試験体Ｂの変形角が１／１００［ｒａｄ］に到達した時の損傷状況を示す写真である。
図１２に示すように、試験体Ａは変形角が１／５０及び１／１００［ｒａｄ］で、試験体Ｂは変形角が１／１００［ｒａｄ］で載荷荷重が最大となっており、この時の試験体Ａ、Ｂの最大積載荷重は略等しい。これにより、上記説明した開口補強構造を設けた鉄筋コンクリート梁は、無開口の鉄筋コンクリート梁と同等の耐力を有することがわかる。
また、変形角が等しい時の試験体Ａ，Ｂに作用する積載荷重を比較すると、略同等、又は試験体Ａに作用している積載荷重が大きい。これにより、上記説明した開口補強構造を設けた鉄筋コンクリート梁は、無開口の鉄筋コンクリート梁と、同等又はそれ以上の変形性能を有することがわかる。

また、図１４は、変形角が１／４００、１／２００、１／１００、１／５０［ｒａｄ］の時の、せん断補強筋のひずみの大きさを示す図である。同図に示すように、最大耐力を示すせん断力が作用している状態である変形角が１／１００［ｒａｄ］の場合には、Ｙ―３及びＹ−４のせん断補強筋が降伏ひずみ（１５２９μ）に達している。このことから、鋼管１１の上下に溶接接続されたせん断補強筋１３が一体となり、上下のせん断補強筋１３に作用する応力がお互いに伝達され、せん断力に抵抗していることがわかる。
以上、本実験により、径が梁せいの１／３以上の大開口を有する鉄筋コンクリート梁に本実施形態の開口補強構造を設けることにより、開口の無い鉄筋コンクリート梁と同等のせん断耐力及び変形性能を確保されることが確認された。また、本実施形態の開口補強構造では、鋼管の上下に溶接接続されたせん断補強筋が一体となり、せん断力に抵抗していることが確認された。

本実施形態の開口補強構造１０によれば、鉄筋コンクリート梁の強度を低下させることなく、径が梁せいの１／３以上の大開口を設けることができる。また、特許文献１記載の開口補強構造に比べて鋼材の使用量が少ないため、コストを削減することができる。さらに、開口補強構造１０は、従来の開口補強構造に比べてコンパクトであるため、設計の自由度が向上し、また、施工時の配筋作業が容易になる。

さらに、本発明の開口補強構造によれば、鉄筋コンクリート梁に大開口を設けることができるので、設備の集中管理を行うオフィスビルなどの建物も鉄筋コンクリート造で経済的に施工できる。

なお、本実施形態では、開口が円形の場合について説明したが、これに限らず、その他の形状の開口を設ける場合にも、その開口の形状に合わせて鋼管を形成し、鋼管の外周面にせん断補強筋を接続する構成とすればよい。

また、本実施形態では、鉄筋コンクリート梁のスパン中央に開口を設ける場合について説明したが、これに限らず、開口を例えば鉄筋コンクリート柱との接合端部付近等に開口補強構造を設けてもよい。このような場合にも、本発明の開口補強構造を用いることで、無開口の鉄筋コンクリート梁と同等のせん断耐力を確保できる。

さらに、せん断補強筋を長方形状に成形し、その一辺を鋼管の外部に接続する構成としたが、これに限らず、例えばせん断補強筋をコの字型に成形し、その端部を直接鋼管に溶接接続する構成としてもよい。

（Ａ）は、本実施形態の鉄筋コンクリート梁の開口補強構造を示すための、鉄筋コンクリート梁の長手方向の鉛直断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＡ−Ａ断面の鉛直断面図である。本実施形態の開口補強構造を示す斜視図である。試験体ＮＯ．１の試験体の載荷後の破損状況を示す図である。試験体ＮＯ．２の試験体の載荷後の破損状況を示す図である。試験体ＮＯ．３の試験体の載荷後の破損状況を示す図である。試験体ＮＯ．１の荷重―変形関係を示すグラフである。試験体ＮＯ．２の荷重―変形関係を示すグラフである。試験体ＮＯ．３の荷重―変形関係を示すグラフである。実験で用いた試験体Ａを示す断面図である。実験で用いた加力システムを示す図である。歪ゲージの貼付位置を示す図である。試験体Ａ及び試験体Ｂに作用したせん断荷重と変形角との関係を示すグラフである。（Ａ）は、変形角が１／１００時の、試験体Ａの損傷状況を示す写真であり、（Ｂ）は、変形角が１／１００時の、試験体Ｂの損傷状況を示す写真である。変形角が１／４００、１／２００、１／１００、１／５０の時の、せん断補強筋のひずみの大きさを示す図である。

符号の説明

１０開口補強構造
１１鋼管
１２開口
１３せん断補強筋
１４梁主筋
１５鉄筋コンクリート梁

Claims

開口を有する鉄筋コンクリート梁を補強する構造であって、
前記開口の内側に鋼管が嵌挿され、
前記鉄筋コンクリート梁のせん断補強筋が、前記鉄筋コンクリート梁の梁主筋を囲むように配されると共に、前記鋼管の外周面に接合されていることを特徴とする開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造。
前記開口の径が鉄筋コンクリート梁の梁せいの１／３以上、
かつ、梁せいより、前記鉄筋コンクリート梁の上下のかぶり厚と、せん断補強筋の径と、主筋の径と、の合計を減じた値以下であることを特徴とする請求項１記載の開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造。
前記せん断補強筋は前記開口部の上下で長方形に成形され、その開口部側の一辺が前記鋼管の外周面に接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強構造。
開口を有する鉄筋コンクリート梁を補強する方法であって、
前記開口の内側に鋼管を嵌挿し、
せん断補強筋を、前記鉄筋コンクリート梁の梁主筋を囲むように配すると共に、前記鋼管の外周面に接合することを特徴とする開口を有する鉄筋コンクリート梁の補強方法。
請求項４記載の補強方法により補強された鉄筋コンクリート梁を含む梁構造。